Respuestas a sus preguntas: diseño de sumidero de turbina vertical

Jimmy Scroggins, experto en capacitación técnica de Grundfos Pumps Corp. en Lubbock, Texas, abordó las preguntas sin respuesta del webcast del 21 de octubre de 2015 "Diseño de sumidero de turbina vertical".

P: ¿Cuál es su experiencia en pruebas de análisis de vibraciones para bombas de turbina vertical cuando el motor está montado en el lateral del conjunto de bomba vertical?

Jimmy Scroggins: En mis más de 20 años de experiencia, nunca había visto un motor de montaje lateral en una bomba de turbina vertical. He visto aplicaciones horizontales en las que tanto el motor como la bomba son horizontales, y en eso, los cálculos de frecuencia de lengüeta fueron bastante sencillos. La mejor opción sería utilizar un análisis de elementos finitos (FEA) para determinar las frecuencias de resonancia natural de la combinación de bomba/impulsor en comparación con las velocidades de trabajo. Me aseguraría de tener buenos modelos 3D (formatos IGS o STP) de la bomba, la base, el motor y las tuberías adjuntas con soportes para entregar al ingeniero o empresa que realiza el FEA (ahorra tiempo y dinero).

P: En los cálculos disponibles de NPSH, ¿cuáles son los valores típicos de Ha, Hst y Hfs que garantizan el NPSH óptimo requerido?

Scroggins: Esos valores varían ampliamente en función de una serie de factores:

P: ¿Qué pasos recomendaría cuando esté modernizando una bomba nueva en una instalación existente donde la instalación ha estado funcionando durante muchos años y las mismas bombas ya no están disponibles?

Scroggins: Esta es una situación complicada. Con suerte, puede obtener una lista de materiales, especialmente un dibujo general, y cualquier otra cosa que se proporcionaría en un paquete de envío típico. Tenga en cuenta que muchos fabricantes de bombas proporcionan impulsores y cojinetes de bronce rojo con plomo en un pasado no muy lejano, pero es posible que ya no ofrezcan esos mismos materiales. Si no tiene los datos de envío, es posible que desee tratar esto como una nueva aplicación y solicitar datos de instalación, como dimensiones del sumidero, datos eléctricos, información de bombeo (para obtener los materiales correctos de la bomba) y cualquier requisito de diseño especial (paralelo). operación, VFD, puntos de diseño secundario y terciario, cabezal de cierre y límites de flujo de descentramiento, etc.). Buena suerte.

P: ¿Cuenta Grundfos con un software de análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para ayudar a los ingenieros a analizar el diseño de la estructura de toma?

Scroggins: Sí, lo hacemos. Póngase en contacto con su vendedor o distribuidor.

P: ¿En qué casos debemos usar una bomba de latas?

Scroggins: Las bombas para latas son fantásticas para aplicaciones de bajo NPSHA y alta presión. Puede (juego de palabras intencionado) aumentar el NPSHA simplemente alargando el ensamblaje de la lata y la columna para exprimir más Hst de la aplicación cuando se enfrenta a aplicaciones de bajo NPSH. Además, la lata sirve como un dispositivo de presión secundario, ahorrando material especial y tazones de geometría en aplicaciones de alta presión (la presión dentro de la lata ayuda a compensar la presión producida por el conjunto de tazones).

P: ¿Por qué siempre usamos un supresor de vórtice como filtro en las bombas de latas?

Scroggins: La cantidad de espacio entre el fondo de la lata y el borde de la campana es muy limitada en una aplicación tipo lata. Un colador de cesta normal suele ser muy largo y está diseñado para caber en un sumidero abierto. Además, ANSI/HI y AWWA dictan el tamaño del colador de canasta, lo que los hace engorrosos en una aplicación tipo lata. ANSI/HI permite el uso de un filtro de canasta muy corto en aplicaciones de latas, lo que usted llamó correctamente un supresor de vórtice. Las aplicaciones de latas, sin álabes rectores, tienen una tendencia a permitir que el bombeo gire durante la operación y alimentarán el dispositivo de succión en un área, lo que crea problemas hidráulicamente para la bomba con vórtices subterráneos y remolino previo. El supresor de vórtices rompe el flujo cuando ingresa a la succión de la bomba, lo que reduce o elimina los vórtices y remolinos (menos ruido, menos movimiento desperdiciado, mejor flujo, mejor eficiencia, menos vibración, etc.).

P: ¿Cuál es el análisis preferido del sumidero de bomba: modelado a escala física o CFD?

Scroggins: Si el dinero no es un problema y hay mucho tiempo para un modelo a escala física, es lo mejor. De lo contrario, el análisis CFD funciona muy bien con líquidos claros como el agua sin sólidos en suspensión. Un CFD no es barato (generalmente de $5 a $15 000), pero es mucho menos costoso que un modelo a escala. Espero que eso ayude.

P: ¿Cuáles son los problemas más comunes con los sumideros de turbinas verticales desde un punto de vista operativo?

Scroggins: Hay algunas desventajas con las turbinas verticales (me duele decir eso). Pero un VTP requiere un alto margen de maniobra, y puede ser un desafío instalarlo o quitarlo. Además, a veces puede ser interesante cumplir con el nivel mínimo de líquido para cebado, NPSH e inmersión. Además, debido a que suelen ser largas y delgadas, las bombas verticales son susceptibles a altas vibraciones. Pero en mi opinión, las ventajas de las turbinas verticales superan con creces sus desventajas.

P: Para una bomba de turbina vertical en un pozo de agua, ¿podemos considerar el revestimiento del pozo como un sumidero?

Scroggins: No exactamente. Para las bombas de pozo, el flujo usualmente viene de abajo hacia arriba. Las bombas de sumidero aspiran agua en planos horizontales. Esta es una diferencia muy sutil, pero hidráulicamente es enorme cuando se trata de vórtices, flujo uniforme, zonas estancadas, etc.

P: ¿La entrada de la bomba no debe estar más cerca de 5 diámetros de bomba desde la rejilla del pozo?

Scroggins: En realidad, ANSI/HI 9.8-2012: Rotodynamic Pumps for Pump Intake Design establece una pantalla a cuatro diámetros de campana de succión desde la línea central de la campana de succión para tomas rectangulares de líquidos claros.

P: Si sospecha que se está produciendo cavitación, ¿hay alguna señal que pueda observarse cerca del motor?

Scroggins: Esa es una buena pregunta. Verificaré con uno de nuestros representantes de servicio de campo y le daré seguimiento. Por lo general, la cavitación aumenta la vibración y las fluctuaciones de carga, que deberían manifestarse en el conductor. Esto vuelve al mismo síntoma para muchas enfermedades diferentes.

P: ¿Se pueden usar motores de velocidad variable en bombas de turbina vertical?

Scroggins: Sí, mucho en series cortas, como en un sumidero vertical. Pero en conjuntos profundos o donde haya una elevación alta, la bomba debe superar, no recomendaría usar un variador de frecuencia (VFD).

P: ¿Cuáles son las ventajas de una bomba de turbina vertical frente a una bomba de sumidero sumergible u otro tipo de bomba?

Scroggins: Las ventajas de una bomba de turbina vertical son: una huella más pequeña, sin problemas de cebado, impulsores de bajo NPSHr disponibles, problemas de inmersión y NPSHA se eliminan simplemente alargando la bomba, flexibilidad de presión al agregar o quitar etapas, ruido reducido y vertical Las turbinas se prestan fácilmente a la personalización para satisfacer las necesidades del sistema existente. Las desventajas o lo que me gusta llamar oportunidades son pocas. Pero una turbina vertical requiere un espacio libre inusualmente alto: pueden ser un poco desafiantes durante la instalación y el retiro; deben cumplir con un nivel mínimo de líquido para cebado, NPSH e inmersión; y son susceptibles a altas vibraciones.

P: ¿Cómo se tiene en cuenta la caída de presión causada por los enderezadores de flujo? ¿Hay datos disponibles para incluir esa caída de presión en el cálculo de NPSHA?

Scroggins: En este punto, necesitaría ejecutar un análisis CFD para determinar la caída de presión. Y no sé si alguna compañía de bombas ha abordado este problema, ni tampoco ANSI/HI o AWWA. Pero planteas una pregunta interesante.

P: En aplicaciones donde NPSHA está muy cerca de NPSHr, ¿pueden ser contraproducentes los enderezadores de flujo?

Scroggins: Es posible, pero creo que un análisis de CFD podría mostrar un beneficio neto ligeramente inclinado a favor de los enderezadores de flujo. Aunque es un muy buen punto.

Comentario: Otras consideraciones al agregar etapas incluyen la potencia adicional requerida y la fuerza del eje requerida para aumentar la potencia y el empuje hacia abajo.

Scroggins: Eso es cierto. Y al diseñar para el estado futuro, esos parámetros deben ser absolutamente considerados.

P: Participamos en el diseño de grandes centrales eléctricas en las que se utilizan bombas de circulación de agua de 130 000 gpm o más. ¿Se aplicará el mismo enfoque de dimensionamiento de sumideros a estas instalaciones?

Scroggins: Sí. De hecho, ANSI/HI 9.8 ofrece pautas de hasta 300 000 gpm. Pero los proyectos de esa escala, a menos que dupliquen otra aplicación de torre de enfriamiento, serían un gran candidato para el análisis CFD y posiblemente un modelo a escala. Sugeriría al menos un análisis CFD, y si los resultados son marginales, entonces use un modelo a escala o un cambio de diseño. Buena suerte.

P: ¿Cuáles son los códigos y estándares útiles para el diseño de sumideros?

Scroggins: Hay muy pocos estándares y códigos. Incluso nuestro grupo de diseño de sumideros en Dinamarca utiliza ANSI/HI 9.8. Pero otros que recomiendo incluyen:

Los considero un muy buen comienzo. Un buen programa de software CFD puede tener información adicional, como un libro de modelado de fluidos ANSYS.

P: ¿Podría ofrecer alguna consideración para un pozo húmedo autolimpiante estilo zanja?

Scroggins: Existe un procedimiento de limpieza para pozos húmedos tipo zanja en ANSI/HI 9.8 (Sección 9.8.3.2.3.5, para ser específico) para aplicaciones de fluidos que contienen sólidos. No puedo ofrecer ninguna información útil sobre este procedimiento porque no he trabajado con este tipo de sumidero utilizando fluidos que contienen sólidos. Todo lo que puedo ofrecer es repetir lo que se menciona en el estándar ANSI/HI.

P: ¿Puede discutir brevemente los requisitos de espacio libre para las bombas de turbina enlatadas para evitar la cavitación?

Scroggins: Ser breve sería imposible para este tema en particular, así que por favor perdóname. Interpretaré los requisitos de espacio libre como dimensionamiento para bombas tipo bidón. Para caudales superiores a 5.000 gpm se recomienda un análisis CFD y para caudales superiores a 10.000 gpm se recomienda un modelo a escala física. Para flujos de menos de 5000 gpm, hay algunas cosas a considerar. Primero, algunos términos y definiciones:

Una lata simple (cabeza en T o boquilla de succión ubicada en la cabeza de descarga):

Tenga en cuenta que en una bomba de lata, las pérdidas por succión de la lata NO son insignificantes y deben restarse de NPSHA (obtener del fabricante de la bomba).

Succión en lata (cabeza montada en ANSI o boquilla de succión ubicada en la lata):

Notas:

*El diámetro interior de la paleta de enderezamiento debe estar lo más cerca posible del diámetro exterior más grande dentro de la lata. Sugiero usar SVid = 1.08 × Dx, o como máximo 1 pulgada entre la paleta y el labio de la campana de succión, los tazones o la brida de la columna.

**Debido al volumen limitado en una lata parcialmente llena, el aumento del nivel de líquido podría representar un problema. La tubería de entrada debe ser lo suficientemente grande para limitar la caída por debajo del nivel mínimo de líquido durante no más de 3 segundos en el arranque.

P: Las bombas de turbina vertical que se utilizan en los sistemas de protección contra incendios suelen instalarse en pequeños sumideros integrados en tanques prefabricados. Con base en bombas de 2500 gpm, ¿qué tan grande debe ser ese sumidero?

Scroggins: No tengo suficiente información para responder correctamente a esta pregunta. Depende del tiempo mínimo de duración × 150 % del flujo de diseño (3750 gpm) redondeado al siguiente tamaño de tanque. Verificaría NFPA 22: Estándar para tanques de agua para protección privada contra incendios o la autoridad competente.

P: ¿El impulsor de primera etapa en una bomba multietapa es el impulsor superior o inferior?

Scroggins: Siempre se ubica en la parte inferior. Tenga en cuenta que NPSH es una función del impulsor de primera etapa únicamente.

P: ¿Se requiere inmersión para evitar la entrada de aire y evitar vórtices en el sumidero medidos por encima del ojo de entrada del impulsor o por encima del nivel de la parte inferior de la campana de entrada?

Scroggins: Eso es un poco confuso, estoy de acuerdo. En la primera diapositiva de inmersión, espero que haya notado que la línea de dimensión comenzaba en el borde de la campana. Esto se debe a que la sumersión de la supresión de vórtices (evitación de la entrada de aire) se mide desde la entrada de la campana de succión. La entrada de la campana de succión es donde comienza la acción del vórtice. La línea de dimensión para NPSH no caía hasta el borde de la campana, sino justo encima. Esto se debe a que la sumersión de NPSH se mide desde los bordes de ataque en el ojo del impulsor de la primera etapa (donde se colocó la línea de dimensión). El NPSH requerido se basa en la velocidad de bombeo a través del ojo del impulsor de la primera etapa. Y en el cálculo de NPSHA, la carga estática (HST) es la sumersión de NPSH medida desde el ojo del impulsor de la primera etapa hasta el nivel del fluido.

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